臺灣化學教育

國小自然「水溶液」單元延伸實驗

—利用海藻酸鈉製作有色溶液的酸鹼指示晶球

林沛瑩

新北市三重區五華國小

臺北教育大學自然科學教育學系科學探究與實作碩士在職專班

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■前言

在課堂實驗的過程中，學生偶然的發現紫色高麗菜汁滴在可樂中，顏色還是黑色，此時，學生一片嘩然地討論著，並思考如何用紫色高麗菜汁來觀察到可樂的酸鹼性。

因為可樂是含有顏色的飲料，所以使用紫色高麗菜汁會較難觀察，而我們也較難將可樂變成透明無色的，於是靈光乍現，突然想到之前指導的科展作品有做過「海藻酸鈉晶球」，若是利用晶球包覆的原理，應該可以使可樂的色素不會影響到紫色高麗菜汁，進而讓顏色的變化更加明顯。

於是本文作者設計了一系列的酸鹼課程，將海藻酸鈉晶球融入在國小課程中，讓學生再觀察水溶液的酸鹼性時，不會受到水溶液本身顏色的限制，進而可以透過日常生活中的指示劑來進行觀察。

■課程目標

本次課程的學習目標如下：

1.      學生能以安全的方式觀察未知溶液。

2.      學生能運用器材檢測水溶液的酸鹼性。

3.      學生能製作出海藻酸鈉晶球

4.      學生能說出製作海藻酸鈉晶球的原理

5.      學生能製作出紫色高麗菜汁晶球

6.      學生能運用紫色高麗菜汁晶球檢測水溶液的酸鹼性

7.      學生能運用紫色高麗菜汁晶球製作出變色晶球果汁

■活動所需器材

課程活動所需物品器材如下：

類別 所需物品器材 水溶液 (檢驗酸鹼性) 醋、汽水、食鹽水、食鹽水、小蘇打水、沙士、奶茶、柳橙汁 化學藥品類 (製作紫色高麗菜汁晶球) 海藻酸鈉、氯化鈣、乳酸鈣、氯化鈉 檢測酸鹼性 紫色高麗菜、藍色石蕊試紙、紅色石蕊試紙、 廣用試紙 玻璃器材類 (器材量以每組為單位) 500毫升燒杯2個、100毫升燒杯7個、滴管7支、小塑膠杯3個、小湯匙1支、培養皿4個、攪拌棒1支

l   小提醒：最後製作出來的晶球讓學生可以吃看看，所以在活動六進行時要使用一般廚房使用的廚具來進行實驗。因此這堂課的容器要使用乾淨且全新的塑膠杯來進行。

■教學活動

本次教學活動從基礎到應用，共設計六個活動。

【活動一、認識酸鹼】

1.      教師準備幾種生活中常見的水溶液，例如：醋、小蘇打水等。

2.      請學生用視覺、嗅覺來觀察水溶液，接著再請學生進行發表。

(實驗安全提醒：不知名的水溶液，千萬不能用口嘗或與皮膚接觸)

【活動二、檢測酸鹼】

1.      教師準備不同酸鹼性的水溶液，例如：醋、汽水、食鹽水、食鹽水、小蘇打水等。

2.      發下紅色、藍色石蕊試紙讓學生進行水溶液的檢測，如圖1所示，並讓學生將實驗結果紀錄下來，如表1所示。

3.      請學生將石蕊試紙的實驗結果分成三類，教師講解這三類的含意，並對酸性、中性、鹼性下操作型定義。

(1)       酸性：紅色石蕊試紙不變色，藍色石蕊試紙變紅色。

(2)       中性：紅色石蕊試紙不變色，藍色石蕊試紙不變色。

(3)       鹼性：紅色石蕊試紙變藍色，藍色石蕊試紙不變色。

4.      接著，再使用紫色高麗菜汁、廣用試紙來進行水溶液的檢測，並讓學生將實驗結果紀錄下來，如表1所示。

圖1、學生使用石蕊試紙檢測酸鹼性

表1：學生進行水溶液酸鹼性檢測的實驗結果

水溶液名稱 紅色石蕊試紙 藍色石蕊試紙 酸鹼性 紫色高麗菜汁 廣用試紙 醋 不變色 變紅色 酸性 偏紅色 紅色 汽水 不變色 變紅色 酸性 偏紅色 紅色 食鹽水 不變色 不變色 中性 偏紫色 綠色 糖水 不變色 不變色 中性 偏紫色 綠色 石灰水 變藍色 不變色 鹼性 偏藍綠色 紫色 小蘇打水 變藍色 不變色 鹼性 偏藍綠色 靛色

【活動三、製作海藻酸鈉晶球】

1.      教師示範實驗：將海藻酸鈉溶液滴入氯化鈣溶液中，學生即可觀察到一顆一顆的晶球。

2.      請學生回想生活中自身的經驗，並請學生發表。接著，播放海藻酸鈉晶球成形的影片，讓學生更了解海藻酸鈉形成晶球的過程。

(影片：https://www.youtube.com/watch?v=_dQ9QIHdQqI)

3.      請學生思考會形成晶球的原因，讓學生小組討論並進行預測，最後記錄下來。

4.      讓學生進行探究實驗，認為「鈣」是形成晶球的主要原因的小組，可以選擇「乳酸鈣」來進行實驗；認為「氯」是形成晶球的主要原因的小組，可以選擇「氯化鈉」，如圖2所示。

5.      接著，請學生分享實驗結果。最後，教師歸納出海藻酸鈉與氯化鈣的反應。

圖2、學生製作海藻酸鈉晶球

6.      此原理是高分子海藻酸鈉中的鈉離子被鈣離子取代，讓海藻酸鈉分子之間的羧酸離子，在分子間有更強的聯結性(交聯作用，cross-linking），形成一種具有半透膜的結構。

 

【活動四、製作紫色高麗菜汁晶球】

1.      將海藻酸鈉溶液混合紫色高麗菜汁，調配出紫色高麗菜汁的海藻酸鈉溶液。

2.      將紫色高麗菜汁的海藻酸鈉溶液滴入氯化鈣中，製作出紫色高麗菜汁晶球，如圖3所示。

3.      將紫色高麗菜汁晶球放在酸性、中性、鹼性溶液，觀察顏色變化，並記錄在學習單上，如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖3、學生製作紫色高麗菜汁晶球圖4、紫色高麗菜汁晶球放入不同水溶液中

圖5、放入鹼性溶液中圖6、放入中性溶液中圖7、放入酸性溶液中

【活動五、用紫色高麗菜汁晶球來檢測水溶液】

1.      請學生製作紫色高麗菜汁晶球，如圖8、圖9所示。

2.      準備各種不同有顏色的飲料，如圖10所示。

3.      將紫色高麗菜汁晶球泡在可食用且有顏色的飲料中，使晶球變色，並將實驗結果紀錄下來，如圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16所示。

4.      使用石蕊試紙及廣用試紙檢測飲料的酸鹼性，並記錄下來，如表2所示。

圖8、學生製作紫色高麗菜汁晶球圖9、滴入情形圖10、有顏色飲料

圖11、晶球放入果汁中圖12、放入果汁後，變成偏紅色

圖13、晶球放入奶茶中圖14、放入奶茶後，變成偏藍色

圖15、晶球放入沙士中圖16、放入沙士後，變成偏紅色

表2、學生進行有顏色飲料酸鹼性檢測的實驗結果

水溶液名稱 紅色石蕊試紙 藍色石蕊試紙 酸鹼性 紫色高麗菜晶球 純水 不變色 不變色 中性 偏紫色 果汁 不變色 變紅色 酸性 偏紅色 奶茶 變藍色 不變色 鹼性 偏藍色 沙士 不變色 變紅色 酸性 偏紅色

【活動六、用紫色高麗菜汁晶球製作晶球飲料】

1.      請學生使用塑膠杯裝紫色高麗菜汁，加入海藻酸鈉後，進行攪拌，如圖17所示。

2.      使用乾淨的杯子調配氯化鈣水溶液，並用全新的滴管或湯匙製作出紫色高麗菜汁晶球。

l   小提醒：要使用乾淨且全新的杯子來裝紫色高麗菜汁，且要使用全新的滴管來滴成晶球。

3.      讓學生將製作出來的紫色高麗菜汁晶球放入到自己帶來的飲料中，以製作出不同顏色晶球的飲料。

4.      請學生分享自己所做出的晶球飲料，並說出自己的製作過程，如圖18所示。

圖17、用乾淨的杯子裝水溶液圖18、學生分享自己的製作過程

■學生課後心得

小升：這個實驗讓我學到海藻酸鈉加氯化鈣會變成海藻酸鈉晶球，很有趣！以後我也可以在家裡嘗試做實驗，在海藻酸鈉中加入不同的水溶液，製作成不同的晶球。回家後，我可以跟家人分享這次的實驗，如果我做給他們看，他們一定會很驚訝！

小蘭：原來海藻酸鈉滴入氯化鈣中，會形成薄薄的膜狀。而含有紫色高麗菜汁的海藻酸鈉滴入氯化鈣中時，會形成一顆一顆的紫色高麗菜汁晶球，放在不同酸鹼的水溶液中，晶球就會慢慢變色，真的很神奇！最後，製作出彩色晶球飲料後，很開心！大家的飲料都不一樣耶！

小昀：之後，我們要挑戰製作一顆很大顆的晶球，若是使用超大的湯匙，在湯匙上放含有紫色高麗菜汁的海藻酸鈉，並放入氯化鈣中，應該可以形成很大顆的晶球吧！

小洋：在課堂上，可樂很難透過紫色高麗菜汁來觀察變色，當加入紫色高麗菜汁晶球後，可以發現晶球的變色較明顯。之後，我想試試看生活中其他有顏色的飲料有哪些可以使晶球變色。

小萱：紫色高麗菜汁晶球做成的果汁好有趣！看到晶球變色的瞬間，好驚喜！吃下去的感覺好特別，晶球內的汁會在嘴巴中流出來，之後我要偷偷加點糖，這樣晶球內的汁會比較甜。

小玲：我們這組偷偷製作一顆大顆的晶球，結果放入醋中，晶球的顏色變化很明顯，很好玩！我們最後將大顆的晶球壓破，發現裡面有汁跑出來，還有一層透明的薄膜。

從學生在學習單上撰寫的回饋中，大部分以正向的居多。很多學生都有提到製作晶球是很有趣的，觀察到晶球顏色變化的那一刻更是好玩。大部分學生提到製作晶球飲料很好玩，還可以測試飲料的酸鹼性。透過晶球結合水溶液的單元，讓學生可以使用簡單的酸鹼指示晶球來判斷水溶液的酸鹼性，讓學生從生活中來進行學習，同時豐富教學的內容。

■教師教學省思

紫色高麗菜汁與海藻酸鈉的混合較不容易，故可以先海藻酸鈉與少量的熱水混合，並持續攪拌使海藻酸鈉溶解，若是有些塊狀的海藻酸鈉較難溶解時，可以使用攪拌棒將塊狀的海藻酸鈉壓至杯子邊緣，也可以促使海藻酸鈉較快溶解。接著，使用瓦斯爐煮紫色高麗菜汁，熬煮出來的紫色高麗菜汁顏色會較深，再加到海藻酸鈉溶液中進行混合，即可調成含有紫色高麗菜的海藻酸鈉溶液。

在製作紫色高麗菜汁晶球時，需要叮嚀學生的衛生習慣，提醒學生要事先用肥皂將手洗乾淨，並用酒精消毒，過程中不可以碰觸到水溶液，以免汙染到水溶液。攪拌的容器需要選擇可食用且乾淨的容器，不要使用自然教室有做過實驗的燒杯，有可能燒杯會洗不乾淨而影響到學生的健康。建議選擇一次性的乾淨塑膠杯，用完即丟環保又衛生。

在講解「交聯反應」時，需要使用圖示搭配影片來進行講解，也可以透過肢體活動的部分，讓學生更了解晶球如何形成薄膜狀的。

在歷屆科展中，鄭元瑍、曹媛婷、鄭媛媜、曹宸浩(2020)他們製作不同酸鹼的果凍，他們的作法是將酸鹼指示劑加入到吉利丁中，在吉利丁還沒凝固的過程中，再加入不同酸鹼性的水溶液，使其顏色改變，最後再等果凍凝固後，即可完成不同顏色的果凍。該篇科展的製作方式是採取先讓含有吉利丁的酸鹼指示劑變色後，再製作出不同顏色的果凍。本次教學與這篇科展不同的地方是對於有色溶液檢測的即時性，酸鹼指示劑晶球可以檢測有顏色的溶液，但此篇科展先將含有吉利丁的酸鹼指示劑滴到不同的水溶液中，故顏色的變化還是會受到水溶液本身顏色的干擾。

讓學生自製晶球飲料時，可以讓學生帶各種有顏色的飲料，同時可以準備小塑膠杯，每組都可以分到一點不同的飲料，可以增加實驗的豐富度，也可以讓學生從生活中觀察科學。

■結語

　　課本上的酸鹼指示劑實驗大多是選擇透明的液體來進行測試，實際在課堂上操作後發現，將酸鹼指示劑滴入有顏色的液體中，有顏色的液體會因為自己本身的顏色而影響顏色的判斷，故有顏色的液體大多只能使用pH計或石蕊試紙來進行檢測。

於是，我蒐集了相關的科展資料，找到很多有關海藻酸鈉晶球的科展，同時也回想起去年帶的晶球科展，於是，我將科展內容融入到「水溶液」單元中，思考酸鹼指示劑應用在課堂的可行性。後來，我設計了一系列的課程，將海藻酸鈉晶球帶入到課堂中，除了讓學生可以了解到分子的概念外，也可以利用海藻酸鈉晶球膜是半透膜的特性，色素分子無法進入到海藻酸鈉晶球的膜裡面，進而可以觀察到海藻酸鈉晶球的變色狀況。

在課堂中，學生露出專注的眼神注意每個步驟，且認真的操作，過程中驚呼聲不斷。當海藻酸鈉滴入到氯化鈣中時，學生露出驚訝的表情，也樂在其中的參與實驗。最後，將紫色高麗菜汁晶球放入有顏色的飲料中時，學生露出開心的表情，當撈出晶球的那一刻，學生看到晶球的顏色不一樣時，露出訝異的表情。我想教學的快樂就是讓學生能樂在學習中。

透過不同的檢測材料，讓學生能熟悉實驗操作與了解各種生活中材料的酸鹼性，並且結合晶球實驗讓學生進行探究，從中發現指試劑晶球變色的狀況。

■謝誌

在此感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系109學年度第1學期化學特論(一)周金城教授與全體同學協助，提供本文架構調整與內文修正之意見，在此謹深摯謝忱。

■參考資料

一、書面資料

1.          黃姵瑀、曹家豪、吳沛璇、林璟醇(2003)。小小晶球真奇妙。中華民國的第 43 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/43/pdf/d/030201.pdf。

2.          周佳穎、徐芷齊、汪瑞環(2003)。「晶」益「球」精。中華民國第 43 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=640

3.          湯宣擎(2015)。晶球世紀。中華民國的第 55 屆全國中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=10459

4.          吳佳蓉、陳彥劭、吳郁婷(2016)。目不轉「晶」－探討海藻酸鈉薄膜的形成與其相關應用。中華民國的第 56 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=10817

5.          魏珮芯、吳政緯、王滋頎(2016)。彩虹晶球－鳳梨珍珠之研發。中華民國的第 56 屆中小學科學展覽作品。取自國立臺灣科學教育館https://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=10981

6.          伍亭蓉、黃子恒、葉小嘉、陳苡亘(2018)。鈣多晶球。中華民國的第 58 屆中小學科學展覽作品。取自國立台灣科學教育館http://www.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=11962

7.          鄭元瑍、曹媛婷、鄭媛媜、曹宸浩(2020)。「凍」顏花漾–在地植物試酸鹼。中華民國的第 58 屆中小學科學展覽作品。取自國立台灣科學教育館https://reurl.cc/Oq2mn3

二、網路資料

1.          國立台中教育大學NTCU科學教育與應用學系科學遊戲實驗室。晶球原理。取自http://scigame.ntcu.edu.tw/chemistry/chemistry-019.html